机电一体化中伺服传动技术及其系统设计

NereidaLem

【摘要】伺服传动技术广泛的应用于当前机电一体化控制系统中，使得机电工程逐渐向着智能化、科学化的方向发展。本文主要从两个方面对伺服传动技术进行了分析，首先对伺服传动系统的结构组成进行了探讨，随后在此基础上对伺服传动系统的结构设计进行了详细的分析，从方案确定以及机械计算两个方面阐述了伺服传动系统的设计内容。文章分析扎根于实际，能够为机电一体化工程中伺服传动系统的设计提供一定的参考。
【关键词】机电一体化；伺服传动系统；智能化；结构设计
1、引言
机电一体化是当前机电工程的重要发展方向，特别是随着各种信息控制技术的发展，机电一体化开始逐渐向着智能、集成的方向发展，其中伺服传动技术就是其中非常重要的一类。随着伺服传动技术的逐渐成熟，工程机械对其进行了科学的定义，伺服传动技术（伺服控制，伺服系统）是指在控制指令的指挥下，控制驱动执行机构，使机械系统的运动部件按照指令要求进行运动。实现执行机构对给定指令的准确跟踪，即实现输出变量的某种状态能够自动，连续，精确的复现输入指令信号的变化规律[1]。由于其操作简单，控制能力准确，因此，伺服传动系统被广泛的应用于机械电气控制系统中，成为当前机电一体化系统控制的重要技术。因此，本文将对伺服传动技术的基本工作组成及其系统设计展开分析，为实际的机电一体化技术的发展提供参考。
2、伺服传动系统结构组成
整个伺服系统结构组成并不复杂，它是有几个基本元件共同组成，并且彼此之间存在着指令的加工和分析[2]，如图1所示。
从系统的结构组成分析，整个伺服传动控制系统工作大致包含四个环节：比较环节，控制调节环节，执行环节以及检测环节。当输入指令进入整个系统之后，指令信号将被各个环节进行加工，从而最终获得指令的反馈。
比较环节。比较环节是信号处理、分析的第一个环节，通过对输入信号与反馈信号进行比较，从而计算出输出与输入信号之间的差别。如果二者具有较大的差别，那么说明系统对于信号的处理存在问题，可以通过对系统进行一定的调节而校准。
控制调节环节。控制调节环节是对比较环节的信号分析做出的空盒子和调节，通过对信号差别的变化，从而做出正确的指令，这一环节主要通过计算机或PID控制电路完成。
执行环节。执行环节是控制系统的指令完成的主要环节，它将调节元件的输出的信号转化为实际的机械能。在实际的机电一体化系统中，执行元件通常指种电机或液压、气动伺服机构等。
检测环节。检测环节是对输出信号进行检测与反馈的过程，在机电一体化中是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。
伺服传动系统的分类方式和类型有多种[3]，例如，根据控制原理（或方式）的不同，分为：闭环、半闭环和开环三种形式；根据被控制量性质不同，分为：速度、位移、力和力矩等伺服系统形式；按驱动方式的不同，又分为：有电气、液压和气压等伺服驱动形式；按执行元件的不同，则分为交流电机伺服、直流电机伺服和步进电机伺服形式等。但是无论是那种形式，其传动系统的组成都是类似的，各个环节之间的协作形成了统一的整体。
3、伺服传动系统的工业设计
伺服传动系统的设计是建立在系统组成确定的基础上展开的，整体系统的工业设计主要包括两个方面：方案设计和系统设计计算。本将以开环控制位置伺服系统作为实例对系统的设计进行分析。
3.1系统设计的方案确定
系统设计的方案确定实际上是对系统的各个组成环节进行确定，从而为完整的系统选择有效的设备。在开环伺服系统中，各个元件的选择原则如下。
执行元件的选择。执行元件是控制信号与设备之间的连接，是整体系统工作核心。在开环伺服系统中，执行元件主要采用步进电机、液压伺服阀控制的液压马达和液压缸、气压伺服阀控制的气压马达和气压缸等。在系统设计中，步进电机应用最为广泛，如果负荷能力不足，则要考虑用其他的设备。总之，在执行元件的设计时，要充分考虑设备的负载能力、调速范围、体积、成本等因素。
传动元件的选择。传动机构实质上是执行元件和执行机构之间的一个机械接口，用于对运动和力进行变换和传递，伺服系统中执行元件以输出转速和转矩为主，而执行机构多为直线运动或旋转运动。最常用的传动方式包括齿轮齿条传动、丝杠螺母传动、同步齿型带传动、以及直线电机传动。每种传动方式起到的作用是不同的，不同方式的伺服传动系统要根据传动方式进行元件选择。
控制元件的选择。控制元件的选择较为简单，当前开环伺服系统的控制元件主要包括微机、步进电机控制方式、驱动电路、接口电路等。
3.2系统设计计算
对于开环伺服传动系统，不仅要确定各个元件，还必须根据系统的要求进行一定的机械计算。计算的内容主要包括脉冲当量以及减速传动比。
（1）脉冲当量的计算
不同的执行元件其脉冲当量是不同的，以步进电机为例，在精密机床中，脉冲当量一般在0.001-0.0025mm/pulse；数控机床一般为0.005～0.01mm/pulse；一般机床为0.1～0.15mm/pulse。
在系统设计时，先根据系统的要求度选定脉冲当量的范围，再根据负载确定步进电机的参数，并选定丝杠的导程，计算出传动比，最后设计传动齿轮的各参数。
（2）计算减速传动比
减速传动比是伺服传动系统重要的参数，通过数值大小来确定传动方式，其计算公式为：
其中，i表示减速传动比，α表示步进电机负载参数，p表示丝杠的导程，δ表示脉冲当量。
在设计过程中，当计算出的传动比较小时，采用一级齿轮传动或同步带传动；传动比较大时，采用多级齿轮传动。
参考文献
[1]周保牛，黄俊桂.具有伺服进给功能的数控主传动系统的研制[J].机床与液压，2009，10
[2]李艳杰，付晓云.液压传动与控制系统的新型节能技术探讨[J].沈阳理工大学学报，2010，6
[3]邓力凡.数控机床伺服系统的几个关键技术问题[J].机械工程师，2010，9